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JF Perrin mise à jour 2018
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En phototosynthèse (lumière source primaire d'énergie et CO2 source de C), les apports nutritionnels standards notamment en en N,P,S,K ne posent pas de problèmes particuliers (NO3-, H3PO4/H2PO4-/HPO42-/PO43- , SO42-, sels de K+). C'est l'apport en lumière et en CO2 qui va souvent être limitant des productivités : dès que le milieu est un peu chargé en biomasse photosynthétique, la lumière ne pénètre que sur des très faibles profondeurs ; l'air atmosphèrique (heureusement) n'est pas très riche en CO2.
Grosso modo on distingue les unités dites ouvertes (ouverts au sens de ouverts sur l'environnement extérieur = open ponds) et les photobioréacteurs fermés (fermés au sens d'un bioréacteur classique totalement fermé hors alimentations et soutirages contrôlés).
Si à l'échelle du laboratoire on travaille très très souvent en éclairage contrôlé artificiel, les installations industrielles sont généralement conçue pour un éclairage naturel solaire (gratuit...). Les installations industrielles avec éclairage artificiel sont dédiés à des productions à valeur ajoutée forte.
Le classique est "l'open pond de type raceway".
A l'échelle laboratoire, un petit bioréacteur fermé à cuve en verre fait facilement office de photobioréacteur fermé en lui joignant un bon éclairage externe. Néanmoins cette solution n'est que rarement convenable car le travail à l'échelle du laboratoire est presque toujours tourné vers le "scale-up" et les études en réduction d'échelle (en "scale-down"). Ainsi, la structure des photobioréacteurs fermés de laboratoire a-t-elle à voir avec celle des unités de grande taille.
Quelles sont les exigences spécifiques des photobioréacteurs fermés ?
- fermé ;
- circulation et homogénéisation des cellules sous faible épaisseur de milieu pour un éclairement satisfaisant ;
- système de gazage (air éventuellement enrichie en CO2) et de dégazage (il doit être efficace, le dioxygène produit doit être éliminé
de façon efficace) ;
- permet de calculer des unités de grande taille (scale-up) ;
- permet des études en réduction d'échelle (scale-down).
Quelles sont les principales solutions retenues pour les photobioréacteurs fermés ?
- Deux grands types, à plaques (flat photobioreactors) ou à tubes de diamètres étroits (tubular photobioreactors) ;
- Utilisation du verre ou de plastiques transparents ;
- circulation et homogénéisation généralement pneumatiques assistées ou pas par des pompes de circulation. Les systèmes gazosiphon sont très fréquents.
L'imagination des concepteurs est sans limite. Très peu d'installations dépassent le stade pilote. Les installations industrielles économiquement viables sont actuellement dédiés à des productions en nutrition (pour aquaculture, compléments alimentaires spécifiques...) et en cosmétique. Les installations pour capture de CO2 et production de carburant (des lipides) restent à ce jour au stade de la recherche et du développement.
La revue Nature dans Scientific Reports, volume 8, Article number: 5112 (2018) propose une image intéressante de photobioréacteurs fermés à l'échelle pilote ou industrielle. L'article est lisible à https://www.nature.com/articles/s41598-018-23340-3 et l'image des photobioréacteurs est en pleine échelle à https://www.nature.com/articles/s41598-018-23340-3/figures/1 .
A l'échelle du laboratoire, on trouve des installations d'études comme présenté par les images ci-dessous :
L'idée est toujours d'optimiser l'éclairement ...